فناوری جدید کره جنوبی برای جلوگیری از انفجار باتری لیتیومی

گروهی از پژوهشگران کره جنوبی با غلبه بر محدودیت‌های فرآیندهایی که به سطوح لیتیوم آسیب می‌رسانند، یک لایه سطحی پایدار را پیاده‌سازی کردند تا از انفجار باتری لیتیومی جلوگیری کنند.

به گزارش ایسنا، فناوری چاپ انتقالی پیشرفته پژوهشگران کره جنوبی، لایه‌های نازک محافظی را روی سطوح فلز لیتیوم تشکیل می‌دهد تا مشکل دیرینه دندریت را که به باتری‌های لیتیومی آسیب می‌رساند، حل کند.

به نقل از نیوز وایز، این گروه پژوهشی به سرپرستی دکتر «جونگدون سوک»(Jungdon Suk) از «مرکز تحقیقات باتری پیشرفته» در «موسسه تحقیقات فناوری شیمیایی کره جنوبی»(KRICT) با موفقیت لایه‌های محافظ هیبریدی متشکل از پلیمرهای جامد و سرامیک را با استفاده از یک فرآیند بدون حلال روی فلز لیتیوم منتقل کردند. برخلاف روش‌های پوشش مرطوب مرسوم، این روش امکان برقراری پوشش یکنواخت در مناطق بزرگ را بدون آسیب رساندن به سطح واکنش‌پذیر لیتیوم فراهم می‌کند و گامی مهم به سوی قابلیت تجاری‌سازی است.

باتری‌های لیتیوم-فلزی یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی هستند که گرافیت را با فلز لیتیوم به عنوان آند جایگزین می‌کنند. آندهای لیتیوم-فلزی با ارائه ۱۰ برابر ظرفیت باتری‌های لیتیوم-یون مرسوم، یک ماده‌ کلیدی در باتری‌های حالت جامد و لیتیوم-سولفور هستند که به چگالی انرژی بالایی نیاز دارند. با وجود این، خطر تشکیل دندریت در طول چرخه‌های شارژ/دشارژ، نگرانی‌های ایمنی را از جمله اتصال کوتاه و خطرات آتش‌سوزی افزایش می‌دهد و در عین حال، طول عمر باتری را نیز محدود می‌کند. علاوه بر این، فرآیندهای سنتی پوشش‌دهی مرطوب که به حلال‌های آلی متکی هستند، ناخالصی‌ها و آسیب‌های سطحی به وجود می‌آورند که تولید و تجاری‌سازی در مقیاس بزرگ را پیچیده می‌کند.

پژوهشگران برای غلبه بر این چالش‌ها، دو نوع لایه محافظ ایجاد کردند که یکی از آنها یک لایه دوگانه متشکل از آلومینا و طلا و دومی یک لایه هیبریدی متشکل از اجزای سرامیکی و پلیمری بود. این لایه‌های محافظ با استفاده از روش چاپ انتقالی روی فلز لیتیوم لمینت شدند و اولین نمایش این روش در این زمینه را رقم زدند. این روش، لایه محافظ را روی یک زیرلایه جداگانه تشکیل می‌دهد و سپس آن را با استفاده از فشار به لیتیوم منتقل می‌کند، نیاز به حلال‌ها را از بین می‌برد، آسیب لیتیوم را به حداقل می‌رساند و در عین حال یکنواختی و تکرارپذیری فرآیند را بهبود می‌بخشد.

در پژوهش پیشین، لایه دوگانه به طور موثری رشد دندریت را سرکوب کردند و با استفاده از استحکام مکانیکی و کاهش مقاومت سطحی، چرخه پایدار را نگه داشتند. این اولین پژوهشی بود که چاپ انتقالی را به عنوان راه حلی برای بی‌ثباتی سطح و محدودیت‌های پوشش مرطوب معرفی کرد.

اعضای این گروه پژوهشی براساس نتایج این پژوهش، روشی را برای انتقال لایه‌های محافظ هیبریدی انعطاف‌پذیر و رسانای یونی در سطحی به ابعاد ۲۴۵×۵۰ میلی‌متر با ضخامت تنها پنج میکرومتر ارائه دادند. این لایه‌های هیبریدی، رشد دندریت را سرکوب می‌کنند و شار یکنواخت یون لیتیوم را در سطح مشترک بین الکترود و الکترولیت القا می‌کنند و عملکرد چرخه‌ای پایدار را ممکن می‌سازند. انتقال یکنواخت لایه‌های محافظ با سطح بزرگ، پیشرفت فناوری و مقیاس‌پذیری برای تجاری‌سازی را تأیید می‌کند.

در آزمایش‌ها، آند لیتیومی محافظت‌شده هیبریدی پس از ۱۰۰ چرخه شارژ/دشارژ توانست ۸۱.۵ درصد ظرفیت خود را حفظ کند، پژوهشگران انتظار دارند که این نوآوری، استفاده عملی از باتری‌های لیتیوم-فلز را در کاربردهای پرانرژی مانند وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی سرعت بدهد. به علاوه، این فناوری ممکن است به باتری‌های حالت جامد و لیتیوم-سولفور نیز گسترش یابد و به پیشرفت پلتفرم‌های باتری نسل بعدی کمک کند.

دکتر سوک گفت: این پژوهش، مواد محافظ جدید و یک فرآیند چاپ انتقالی مقیاس‌پذیر را برای غلبه بر چالش‌های حیاتی بی‌ثباتی سطح و محدودیت‌های پردازش مرطوب در باتری‌های لیتیوم-فلز ترکیب می‌کند.

دکتر «یانگ-کوک لی»(Young-Kuk Lee) رئیس موسسه تحقیقات فناوری شیمیایی کره جنوبی گفت: این یکی از عملی‌ترین راه‌حل‌ها برای فعال کردن باتری‌های لیتیوم-فلز دارای چگالی انرژی بالاست و می‌تواند رقابت‌پذیری کره جنوبی را در صنعت جهانی باتری افزایش دهد.

این پژوهش در مجله «Energy Storage Materials» به چاپ رسید.

*